Рубрика | Украина

Аналіз можливості використання первапорації під час одержання біоетанолу

Наведено основні особливості одержання паливного біоетанолу. Доведено доцільність заміни остаточного зневоднення біоетанолу на молекулярних ситах первапораційним розділенням.

Ключові слова: біоетанол, первапорація, зневоднення спирту.

Приведены основные особенности получения топливного биоэтанола. Доказана целесообразность замены окончательного обезвоживания биоэтанола на молекулярных ситах первапорационным разделением.

Ключевые слова: биоэтанол, первапорация, обезвоживание спирта.

The basic features of production of fuel bioethanol are resulted. The utility of replacement of final dehydration of bioethanol on molecular sieves by pervaporation is proved.

Keywords: bioethanol, pervaporation, alcohol dehydration.

Вступ

Обмежена кількість власної нафти на Україні й висока вартість її імпорту висувають у порядок денний задачу пошуку нетрадиційних видів палива, які змогли б частково замінити паливо нафтового походження при його використанні в існуючих двигунах.

Одним із них є біоетанол, додавання якого до моторного палива у співвідношеннях від 5:95 до 85:15 дозволяє зменшити споживання нафтопродуктів; підвищити октанове число одержаної суміші; покращити її згоряння; збільшити ефективний коефіцієнт корисної дії та потужність двигунів; покращити їхні токсичні характеристики [1]. З огляду на це, доцільним є розроблення сучасних технологій одержання біоетанолу, який міг би ефективно застосовуватися для досягнення таких цілей.

Постановка задачі

Метою роботи є визначення найприйнятнішої технології виробництва біоетанолу й доведення доцільності заміни його остаточного зневоднення на молекулярних ситах первапорацією.

Основні особливості виробництва біоетанолу

У промисловості етанол одержують:

  •  прямою чи сірчанокислою гідратацією етилену (синтетичний етанол);
  • гідролізом нехарчової рослинної сировини (гідролізний етанол);
  • переробленням харчової рослинної сировини (харчовий етанол).

Основним способом одержання етанолу є останній. Реакція бродіння рослинних продуктів, що містять вуглеводи, під дією ферментів дріжджів і бактерій є досить складною, проте її схему можна виразити простим рівнянням

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2.

Унаслідок бродіння одержують розчин, що містить до 15 % етанолу. У більш концентрованих розчинах дріжджі гинуть. Через це отриманий етанол потребує очищення й концентрування.

Сучасна промислова технологія одержання етанолу з харчової сировини складається з таких стадій:

  • підготовка й подрібнення сировини, що містить цукор чи крохмаль (зерна жита або пшениці, кукурудзи, картоплі, топінамбура та інших сільськогосподарських культур);
  • ферментація – розщеплення крохмалю до спирту під дією дріжджових ферментів. Для цієї мети застосовують препарати альфа-амілази, одержані біоінженерним шляхом (глюкамилазу, амілосубтилин);
  • ректифікація браги (розділення, засноване на різних температурах кипіння її компонентів), здійснювана, зазвичай, у колонних апаратах з контактними елементами у вигляді тарілок.

Дослідження, проведені на кафедрі машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв, свідчать, що технологія паливного біоетанолу схожа з одержанням звичайного харчового спирту, однак має ряд особливостей:

  •  на відміну від виробництва харчового спирту, де застосовують переважно «сухий» спосіб виробництва, у технології біоетанолу використовують «мокрий» спосіб. У «мокрому» процесі спочатку виділяють глютен і крохмаль, який потім спрямовують на виробництво етанолу, у «сухому» глютен не виділяють;
  • для виробництва біоетанолу, зазвичай, достатньо двох ректифікаційних колон, тоді як на заводі харчового спирту таких колон п’ять;
  • середній біоетанольний завод виробляє 150 млн л етанолу на рік (42 тис. дал/добу; потужність деяких підприємств сягає 1 млрд л/рік чи 280 тис. дал/добу), харчовий завод – близько 4 млрд л;
  • паливний біоетанол, на відміну від харчового спирту, можна одержувати з целюлози та рослинних відходів сільського господарства;
  • одержання паливного біоетанолу вимагає додаткового зневоднення продукту, оскільки внаслідок присутності 4 % води в дистиляті відбуватиметься розшарування спирто-бензинової суміші.
  • Собівартість виробництва біоетанолу «мокрим» способом, за даними Institut fur Weltwirtschaft Kiel (ФРН), у липні 2007 р. становила в середньому для країн ЄС €0,85/л (в Україні, за підрахунками Інституту цукрового буряка УААН, — €0,67/л) [2].
  • Зазвичай, зневоднення біоетанолу здійснюють на молекулярних ситах – мікропористих тілах, що вибірково поглинають речовини, молекули яких менші, ніж розміри мікропор.

Процес зневоднення на молекулярних ситах відбувається таким чином: парова фаза (що складається з води та етанолу) надходить в міжтрубний простір апарата зневоднення; водяна пара (молекули якої менше пір селективної мембрани) проходить крізь керамічну трубку з цеолітовим напиленням і захоплюється вакуумним насосом, а пара етанолу (молекули якого більше, ніж пори сита) виходить з апарата і прямує до конденсатора зневодненого етанолу. Рушійною силою проникнення в цьому разі є різниця тисків у трубному (створюється вакуумним насосом) і міжтрубному просторі (створюється грійною парою випарного апарату і конденсатором зневодненого етанолу).

Недоліками процесу зневоднення на молекулярних ситах є необхідність періодичної високотемпературної регенерації та обов’язкового вакуумування апаратів, що мають значні габарити (до 9 м заввишки).

Цих недоліків можна уникнути, якщо використати замість зневоднення на молекулярних ситах первапорацію.

Обґрунтування можливості застосування первапорації

Первапорація – процес мембранного розділення, який об’єднує розчинення й молекулярну дифузію летких компонентів системи в селективній непористій мембрані з їхнім випаровуванням на протилежному боці цієї мембрани. Первапораційне розділення ґрунтується на різній дифузійній проникності мембрани для компонентів суміші і розглядається як послідовність розчинення речовини в поверхневому шарі мембрани, дифузії молекул речовини крізь мембрану та виділення пари цієї речовини на зворотному боці мембрани [3].

Установлено, що первапорація потребуватиме менших капіталовкладень порівняно зі зневодненням на молекулярних ситах, тому що:

  • первапораційна технологія є екологічно чистою, оскільки не потребує допоміжних речовин і реагентів;
  • температура процесу становить 60…80 °С, що надає можливість використовувати теплоту низького потенціалу;
  • застосовувані для розділення непористі мембрани не потребують регенерації;
  • висока селективність процесу дає змогу здійснювати розділення за один цикл;
  • простота, компактність і модульна конструкція первапораційних установок дають можливість легко адаптувати їх до існуючих обсягів виробництва.

Дослідження дозволили встановити, що найприйнятнішою для реалізації процесу вбачається гідрофільна первапораційна композиційна мембрана Владіпор, яка являє собою непористий полімерний плівковий матеріал на основі фторопласту Ф42Л на підкладці з лавсану з роздільним шаром завтовшки 10 мкм і, окрім високих показників селективності й проникності, витримує безпосередній контакт з органічними розчинниками (зокрема, чистим етанолом) за умови підвищених температур (до 100 °С).

Для цієї мембрани й системи біоетанол – вода, за методиками, викладеними в праці [3], було визначено ступінь набухання, коефіцієнт дифузії і константи проникності.

Зокрема, ступінь набухання обраних мембран в етанолі становить 0,7 %, у воді – 18,1 %; коефіцієнт дифузії етанолу в мембрані – 1,48 · 10–10 м2/с, води – 1,55 · 10–10 м2/с; константа проникності обраної мембрани для етанолу – 1,2 × 10–9 кг × м/(м2 × с), для води – 3,2 × 10–7 кг × м/(м2 × с).

Враховуючи, що константа проникності обраної мембрани для води в 270 разів перевищує константу проникності цієї ж мембрани для етанолу, непористий матеріал на основі фторопласту Ф42Л на підкладці з лавсану з роздільним шаром завтовшки 10 мкм можна використовувати для зневоднення паливного біоетанолу.

У разі використання таких мембран площа поверхні мембранних елементів, потрібна для виробництва 17,5 дал/добу паливного біоетанолу при 313 К і 0,1 МПа становить близько 70 м2.  Об’ємна продуктивність відповідного апарата за вихідною сумішшю сягатиме 100 дал/добу, а його габаритні розміри не перевищуватимуть 2,3×1,5×0,8 м, тобто будуть втричі меншими, ніж розміри апарата для реалізації процесу зневоднення етанолу на молекулярних ситах.

Висновок

Для зневоднення паливного етанолу на заключній стадії його одержання доцільно застосовувати первапорацію. Це дозволяє уникнути існуючих на сьогодні недоліків застосовуваного на сучасних підприємствах зневоднення на молекулярних ситах.

Література

  1. Емельянов В. Е. Атомобильный бензин и другие виды топлива: свойства, ассортимент, применение / В. Е. Емельянов, И. Ф. Крылов. – М. : Астрель, 2005. – 207 с.
  2. Рябцев Г. Л. Биоэтанол от «А» до «Я» / Геннадий Рябцев // Терминал. – 2008. – № 13. – С. 6-15.
  3. Гуцалюк В. М. Первапораційне розділення однорідних систем / Гуцалюк В. М., Гулий І. С., Рябцев Г. Л. // Харч. пром-ть. – 2000. – Вип. 45 (додаток). – 44 с.

Автор:

(Всего статей: 526)

Заместитель директора по специальным проектамСвязаться с автором

Если вы нашли в статье ошибку, выделите ее,
нажмите Ctrl+Enter и предложите исправление

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

  • Для отображения содержимого включите AdobeFlashPlayer по ссылке

    Get Adobe Flash player

  • Для отображения содержимого включите AdobeFlashPlayer по ссылке

    Get Adobe Flash player

  • Для отображения содержимого включите AdobeFlashPlayer по ссылке

    Get Adobe Flash player

  • Для отображения содержимого включите AdobeFlashPlayer по ссылке

    Get Adobe Flash player

  • Для отображения содержимого включите AdobeFlashPlayer по ссылке

    Get Adobe Flash player

Дискуссия

  • Європейська комісія рекомендувала російському ПАТ «Газпром» укласти довгостроковий транзитний контракт із новим оператором української газотранспортної системи.

    Про це повідомила пресслужба НАК » Нафтогаз України» Facebook.

    «Єврокомісія рекомендувала Газпрому заключити довгостроковий контракт на значний обсяг за європейськими правилами і з новим українським оператором ГТС, бо це відповідає комерційним інтересам усіх сторін та забезпечує енергетичну безпеку Європи. Це правда», — написали у Нафтогазі.

    НАК наголошує, що російські державні ЗМІ натомість вдаються до фейків.

    «Спроби російських державних ЗМІ переконати когось у тому, що ЄС підтримує прагнення Росії отримати контракт за допомогою політичного тиску — неправда… Будьте обережні, перевіряйте інформацію і її джерела. Такого в найближчі місяці буде багато», — зазначили у Нафтогазі.

    Українська компанія також додала, що Єврокомісія не підтримує прагнення Газпрому за допомогою політичного шантажу уникнути виконання законного арбітражного рішення в Стокгольмі.

    «Термінал» писав, транзитний контракт з Газпромом може бути підписаний за умов повного виконання Україною європейських правил з відділення оператора ГТС. Про це під час п’ятого Українського газового форуму сказав міністр енергетики та захисту довкілля Олексій Оржель.

    Читать все: Анекдоты, газ, Компании, Официоз, Торговля, энергетика

  • Китай продает СПГ уже и Японии
  • Энергосистемы Латвии и Эстонии свяжет новый «энергомост»
  • Нельзя помочь тому
  • Он любил курить на рабочем месте

Архивы

РЕКЛАМА

Использование материалов «http://oilreview.kiev.ua» разрешается при условии ссылки на «Терминал».

Для интернет-изданий обязательна прямая, открытая для поисковых систем, гиперссылка в первом абзаце на конкретный материал.


Please leave this field empty.

Ваши Имя Фамилия (обязательно):

Ваш контактный телефон:

Ваш E-Mail (обязательно):

Ваше сообщение:

Исправить это! :)

Ошибка:

Как правильно: